Trendek 2013 A nanotudomány és gondjai Gyulai József MTA Természettudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet www.mfa.kfki.hu/~gyulai/_/

Az előadások a következő témára: "Trendek 2013 A nanotudomány és gondjai Gyulai József MTA Természettudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet www.mfa.kfki.hu/~gyulai/_/"— Előadás másolata:

1 Trendek 2013 A nanotudomány és gondjai Gyulai József MTA Természettudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet www.mfa.kfki.hu/~gyulai/_/

2 Trendek 2013 Bevezető gondolatok: Buckminster Fuller: Operating Manual for Spaceship Earth - (1969) Biosphere, Montreal, 1967 “…One outstandingly important fact regarding Spaceship Earth, and that is that no instruction book came with it…„ …, hogy nem kaptunk hozzá Használati utasítást…

3 Trendek 2013 A ‘Spaceship Earth’ mély értelmű: a kékesszürke Föld termikus egyensúlyban lebeg az Űrben. Ekkor az érkező és az űrbe kisugárzott hőmennyiség azonos (+ a radioaktivitásból származik néhány %-nyi geotermikus hő) a Római Klub analízise (Kirchhoff törvény) a hetvenes évekből: ha az érkező napenergia 5 tízezredét (!) többletként felszabadítjuk – bármilyen „tiszta” módon – a földi átlaghőmérséklet kb. egy fokkal megemelkedik! Ezt szokták úgy mondani, hogy pár óra alatt megérkezik a Földre az emberiség teljes éves energiaszükségletét kitevő napenergia. Az emberiség fejlett fele kb. ennyit szabadít fel a saját szállásterületén „Föld űrhajó”

4 Trendek 2013 A teljes rendszert, a „túlszaporodott ember a természetben”-t kell vizsgálni, és úgy, hogy a lobbi-érdek lólába ne lógjon ki. A Földet a „napmotor” hajtja ma is („solar engine”), A nagy csoda, hogy a felszín egyensúlyi hőmérséklete évszázmilliók óta a jég olvadáspontja körül mozog. A termelési-fogyasztási folyamatok zárt láncba kapcsolása Érzésem szerint, kb. az a határ érvényes a napenergiának részleges „emberi csatornákba” való terelésében, mint a hőfok-emelkedésnél, azaz a kb. 5/10000... Ekkor az ökológiai lábnyom számítása jelentősen megváltozik: ha ui. az alapanyagok kizárólag az emberi termelésen- fogyasztáson belül forognak, akkor csak az átalakításaikhoz szükséges energetika okán terhelik a Földet és növelik meg az ökológiai lábnyomot… Tézisszerűen:

5 Trendek 2013 A mai tudománynak egyetlen missziója van és két súlypontja lehet – ez valahol megfelel az ön- és fajfenntartás ösztönének is: 1. megkeresni annak a módozatait, hogy élhet-e, ill. hogyan 7-10 G ember a Földön – úgy is, hogy a többi élőlény is megmaradjon?… 2. emellett az egyén élettartam-növelése domináns érdeklődést vonz – a biotudományok súlya, érdekessége, Képes lesz-e az emberiség az életforma receptet idejében magáévá tenni? Én az „elviselhetővé” tételt a humanióráktól, ill. kiknek-kiknek a vallástól remélem … Az alapkérdés

6 Trendek 2013 Tranzisztortól a ”Moore törvény”-ig A legnagyobb hatású találmány a 20. században a tranzisztor, nem a legszebb, mert az szerintem a populáció inverzió, a lézer... A Fairchildból kivált Intel kezdeti „titka”: az anyacégnél kidolgozott technológiai higiéne. Ezzel elsőként tudtak egyetlen chipen külső feszültség nélkül nyitott (növekményes), ill. zárt (kiürítéses) tranzisztorpárt gyártani G. Moore: kétévente kétszer annyi elem egyetlen chipen „Talán a hetvenes évek végéig sikerül…” – mondta Gordon Moore. Generikus törvény született, ami inkább üzleti, nem csak technológiai! Az arányos kicsinyítés sikere a titok. International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS ( http://public.itrs.net/ ) : négyévenkénti tanulmány, kétévenként korrekció Jelenleg 2024-ig vannak a táblázatok

7 Trendek 2013 A „nehéz technológiai feladatok”, 2011. A fehér: az ipar tudja, sárga: kell némi fejlesztés, piros: „red brick wall”, „no known solution” – eddig megoldódott... (PROCESS INTEGRATION, DEVICES, AND STRUCTURES

8 Trendek 2013 Kezdjük az elektronikával: a Moore ”törvény” A mai csúcs az Intelnél – kisebb, mint egy vírus! Az arányos kicsinyítés működik 2020-ig… A szilíciumon ül egy átok: Nem lehet belőle lézert készíteni De igyexik a szakma… http://public.itrs.net/

9 Trendek 2013

10 SCM

11 Trendek 2013 SCM: Storage Class Memory STT Spin-transfer torque... PC Phase change...

12 Trendek 2013 A „More-Moore” és a „More-than- Moore” jövője Én annyira becsülöm Gordon Moore-t, hogy remélem, ha már, mondjuk, biokomputereink lesznek, akad mérnök, aki elkészíti ennek is a helyettesítő kapcsolását – hogy hány trillió kapu kellene hozzá? Hiszem, hogy a kétévenkénti 1.6-szoros komplektálódás – ebben az értelemben – érvényben marad 2020 után is… Ez arra is bizonyíték lehetne, hogy a Moore- törvény főleg gazdasági törvény, műszaki következményekkel

13 Trendek 2013 A nanoelektronika gondjai Scale down korlátai, új elemek: Nem elektronvezetés, más bináris rendszerek: spin, ~tronika A chipen optika fémezés helyett – elkerülhetetlen Optika: plazmonika? Analóg vs digitális rendszerek Szerintem a mai gyárakban is megvalósítható változat lehet csak nyerő – különben elkezdődik egy akár ocsmány verseny…

14 Trendek 2013 Kvantumkomputer – spintronika (Courtesy of D. Jamieson, Melbourne)

15 Trendek 2013 A kvantumkomputer A „qubit” kvantummechanikai fogalom, amely összekapcsolt részecskéket jelöl. Az öt fluor és a két szén hét qubitje képes 15-öt faktorizálni: 3.5=15 Rádióhullámok indítják a gépet, NMR olvassa ki az eredményt 2012: Szupravezető qubit stabilizálás (10 μ s), Si- technológiával! IBM Research Dicarbonylcyclopenta dienyl (perfluorobutadien-2- yl) iron (C11H5F5O2Fe ) (ill. pentafluorobutadienyl cyclopentadienyldicar bonyl-iron complex)

16 Trendek 2013 NMP Tématerületek támogatják az Európai Gazdasági Megújulás Tervét (European Economic Recovery Plan) > európai újjászületés PPP konstrukciók (Public Privat Partnerships) PPP-s –Factories of the Future > A jövő gyárai –Energy Efficient Buildings > Energiahatékony épületek –Green Cars > Zöld járművek Innovációs elemek (már 2012-től); demonstrációs és pilot projektek Javaslatok; NMP Expert Advisory Group, European Technology Platforms, Programme Committee Híd a Horizon 2020 Kutatási és Innovációs Keretprogram-hoz NMP Program jellemzői 2013

17 Trendek 2013 Európai prioritások Personalising health and care Sustainable food security Blue growth: unlocking the potential of the oceans Smart cities and communities Competitive low-carbon energy Energy Efficiency Mobility for growth Waste: a resource to recycle, reuse and recover raw materials Water innovation: boosting its value for Europe Overcoming the crisis: new ideas, strategies and governance Disaster-resilience: safeguarding and securing society, including adapting to climate change Digital security

18 Trendek 2013 A hat kulcstechnológia (key enabling technologies, KET) közvetlen támogatása –nanotechnology, –micro- and nanoelectronics including –semiconductors, –advanced materials, –biotechnology and –photonics 3 kulcstechnológiát (mikro- és nanoelektronika, fotonika és biotechnológia) közvetetten is támogatják NMP Program jellemzői 2013

19 Trendek 2013 Frontvonalak

20 Trendek 2013 2013 Ipari trendek az anyagok világában

21 Trendek 2013 A mai technológiai "forradalmak" Távközlés ~ az érzékelők/beavatkozók ~ a világítás ~ a közlekedés ~ automatizálás, általában az élelmezés ~ mesterséges érzékszervek a bio- és orvostudomány nanotudomány, -technológia

22 Trendek 2013 Az elektronikai kutatás „forró” területei - példák Komputer-távközlés –Hordozható eszközök –Viselhető (Wear-on) –Szórt (Ambience) intelligencia (inter car, intelligens „homok”) –Akusztikai eszközök Érzékelők/beavatkozók forradalma –Akár biológia is… –Közlekedés automatizálása Mikro- és nanotechnológia –„Energy harvesting” – energiaforrások Világítás forradalma –Világító dióda (LED), Organikus LED

23 Trendek 2013 A nanotudomány – szerintem Kolliodikusok: „mi mindig is nano-t csináltunk…” Majdnem igaz: a reaktorban ui. csak a nano-molekulákat eredményező reakció volt fontos – a helye, azaz a termékmolekula „címezhetősége” nem, pedig csak így igazi nano… Kémiai-orvosi: önszerveződés, a kémiai kötőerők és a termikus mozgás mérkőzése, ennek határai adják a végső teljesítményt, a megbízhatóságot. Fizikai-mérnöki: hozzájön még pl. az atomi, ionos, elektronos megmunkálás, az önszerveződés tökéletessége (címezhetőség), de a perspektíva a kvantumfizikába való metamorfózis, entanglement Kombinálható még a mikrotechnológiával

24 Trendek 2013 A „megbízhatóság” eltérő fogalmai A mérnöki, ezen belül az elektronikáé – tévesztés/műveletszám, „MTBF” A kémiáé, ezen belül a gyógyszerkémiáé – tolerálható szennyezések Az élőlényeké – stresszhelyzetek túlélése, a faj fennmaradása

25 Trendek 2013 Megbízhatóság A mikro-, nanoelektronikában a komplexitás növekedésével egyre inkább modellekre hagyatkozunk, akár sztochasztikus, káosz (?) modelleket kidolgozva számszerűsítjük megbízhatóságot A biorendszereknek a redundanciája jelent egy, de másfajta megbízhatóságot. Találkozik-e ez a két koncepció valahol középtájon, azaz a 2020-as More-than-Moore eszközé és egy vírusé? (Mert méretben hasonlóak, sőt, a vírus a nagyobb) Elég-e a vírus „megbízhatósága” (amelyben a driving force-ot az ön- és fajfenntartás fogalmával antropomorfizáljuk) – egy emberi termékben realizálódó művelethez?

26 Trendek 2013 Trendek A mai nanotechnológia még inkább nanotudomány, a termékké válás kritériumait teljesítenie kell Nanoelektronika: Moore, ameddig csak lehet (More Moore), More-than-Moore (post-Moore) megoldások: –optika –spintronika, –plazmonika, –Biomimetikus rendszerek Rendszerek, elemei –Szenzorika-beavatkozók „forradalma” –Ambience intelligence –Energy harvesting rendszerek –Bioelektronika A 100nm nódus tanulsága: 10-15 év: mi van a laborban készen? A kémiai, orvosi, ill. metallurgiai Nanotechnológia külön ág, ami azonban itt-ott összeér

27 Trendek 2013 „Nanosafety” A gyártás és alkalmazás biztonsági, környezeti kérdéseinek tudománya. A nanotechnológia nem-informatikai ágai jelentenek elsősorban veszélyt, egészségügyi kockázatot – kozmetikumok, festékek, stb. Lejutottunk ui. abba a mérettartományba, amelynek számára –Nem csak a szűrőink alkalmatlanok, hanem –a sejtfalak, az ioncsatornák is átjárhatók… Standardok kellenek. –Friss példa: a szén nanocsövek hatásának szimulálására a fekete tetoválási festék alkalmas standard (Saito, Nature)…

28 Trendek 2013 Kitekintés Az életünket egyre jobban átszövi, birtokba veszi a „nano” Fontos, hogy kellő biztonságot is jelentsen. Az EU programjai irányt vettek a –Nanobiztonság, –Megbízhatóság, de főleg –A szabványosítás felé. Reméljük, hogy kellő önmérséklet fogja kísérni a nanotechnológia alkalmazásait De a nanotudománynak zöld utat kell kapnia Küzdeni, ha „buzzword”-ként használják

29 Trendek 2013 Gondolkodásmód változás elé – a kémiában Példa: kémiai katalízis a katalizátor atom, a telítetlen d-, f-héjával – szerintem – olyan atomi méretű „labor” a maga gyorsan változó elektromos- mágneses terével, amelybe a bekerülő (oda vonzott?) atomok/molekulák elektronkötései fellazulnak, (más) vegyületbe lépnek palládium-, platina-atom, stb. atomi méretű „laboratórium”

30 Trendek 2013 Mérnöki gondolkodás a biológiában - kevesebb antropomorfizmus Pl. a stressz protein Megtalálja a sérült fehérjét, hogyan? „megméri” a nm-es torzulásokat, hogyan? Átadja a saját testének egy részét – milyen energetika vezérli? Tudjuk, csak atomi erők szerepelhetnek Én mindezek fizikai, atomisztikus megértését tekintem a biológia új életének

31 Trendek 2013

32 A nanotechnológia nem-informatikai ágai A pásztázó szondás módszerek – mint preparatív technika Kémiai: katalízis, a fullerén-, szén nanocső, bio- rendszerek Önszerveződéssel nanostrukturált tömbi anyagok, fémek, kompozitok, kerámiák, dielektrikumok Végső cél: az élővilág napenergiára alapozott "preparatív technikáját" a szervetlen világban alkalmazni, a kódolás-kiválogatódás ottani elveit megkeresni Álmom a "szemétdomb", ahol a hulladékok a Nap hatására visszaalakulnak nyersanyaggá…

33 Trendek 2013 Kérdések? TQM modelek (Total Quality Management ) Mikroelektronika ≈100% kihozatal! Funkcionális teszt, 10 10 lépés egyetlen hibára Redundancia Nanotech – kémiai, biomedikus Ipari kontroll is ilyen, kémiai analízis (kromatográfia, stb.) Gyógyszer standardok – erős, de más, mint a mikroelektronikai, Pl. szennyezés tolerancia

34 Trendek 2013 Kétségeim – I A miniatürizálás megnöveli a megbízhatóságot, mert a chipbe beépített intelligencia nem, vagy csak ritkán téved –a tönkremenetel ui. csak nemkívánatos atomi mozgásokból eredhet (magas hőmérséklet) De –pl. ionizáló részecske-becsapódás "Soft error" vagy "Single Event Upset, SEU", mert nem destruktív hiba… védekezés: redundancia, ismétléses kontroll

35 Trendek 2013 Kétségeim – II Az emberiség termeléssel és logisztikai elosztással dolgozik – milyen lesz a nanogyár? Minőségellenőrzés –Ma: az ún. Total Quality Management, TQM, a cél, –A biorendszerek "minőségellenőrzése" az evolúció: 1.a ön-reprodukció, 2.a véletlen mutációk (ez a "majdnem selejt"), 3.a 'minőség' a természetes kiválogatódás révén A nanotechnológiai analóg nincs kitalálva –Lehet-e a minőségellenőrzés valamiféle 'gyorsított evolúció'? A mai, pl. gyógyszergyártási minőségellenőrzése nem lehet elég pl. a kvantumkomputer "gyártásához": –nem maradhatnak inaktív, nem szenzibilizált molekulák, –térben szervezetten kell létrejönniük (megtalálható – címezhető) IBM kvantum chipjének megbízhatósága 90% – kevés...

36 Trendek 2013 Kétségeim – III A biorendszerben ugyanez már nagy baj: –ha az immunrendszernek nem sikerül közbelépnie, carcinogenezis Bioban a redundancia óriási foka –miatt jön létre valamiféle "megbízhatóság"-gal analóg folyamat, pl. az agy plaszticitása… de ez, pl. a repülőgépünk vezérlőegységében aligha megnyugtató… A "nanogyár"-ban vajon minimálhatjuk-e a zaj (káosz) hatását, pláne, szobahőmérsékleten? –Mi lesz a "laissez passer"-vel? Ez jelentősen korlátozhatja a nem-direkt biológiai-orvosi nanotermékek körét.

37 Trendek 2013 Biomimetikus rendszerek A XXI. század "biológiája" jobban fog hasonlítani a XX. század fizikájára, kémiájára, mint az akkori-mai biológiára Az a szójárás tehát, hogy "a XX. volt a fizikáé, a XXI. a biológiáé" – így értelmetlen De: a fizikának agresszíven bele kell vonulnia az interdiszciplinákba és nem visszahúzódnia pl. a részecskefizikába, asztrofizikába – mint tartósabban "saját" területekre...

38 Trendek 2013 A biológia nyújtotta lehetőségek – mint a scifi… A sejten belüli molekuláris „gépek” felhasználása –a (kontroverz) génmódosítás, mára semmiség, –DNS-felhasználású replikákkal anyagelőállítás; –vírusok, mint önszerveződést provokáló „gépek”; –Ezeket „tudománynak” érzem, egyelőre –Szeretném hinni, hogy ez senkinek a hitét nem befolyásolja: mindez a törvények alkalmazása … A Materials Today illusztrációja

39 Trendek 2013 Nanomegmunkálás fokuszált ionnyalábbal, és vezérelt CVD-vel (LEO gym., MFA-ban) Nanopore - nanopórus MFA rekord: 20nm pórus FIB – DNS átfért rajta, „Pungor Ernő díj”, Gyurcsányi Róbert, BME

40 Trendek 2013 Grafén – az új „izgalom” Pásztázó szondák, MFA: „plazmapisztoly” Junior Prima-díj 2008: Tapasztó Levente, MFA http://www.mfa.kfki.hu/int/nano/